连接器的机械性能是指连接器在受到各种机械应力和操作条件下所表现出的物理特性。简单来说,就是用一些物理特性来衡量连接器在机械力与时间共同作用下的表现。
连接器的机械性能关乎连接器在实际使用中能否够承受预期的机械负荷和操作次数,关系到整个连接系统稳定性和可靠性评估。
一般衡量指标
连接器的机械性能一般都会用如下指标衡量:
插入力以及拔出力
保持力
插拔寿命
抗振性能
耐冲击性能
(对于一些特定应用领域的连接器,对机械性能也会有特定要求,比如电车充电枪连接器要求耐车辆碾压,耐跌落等要求。)
我们通过不同机械性能相关的测试,来逐一介绍。
PART/ 01
插拔力测试
(Insertion and Withdraw Force Test)
插拔力是指连接器插入力及拔出力的机械性能指标。
连接系统使用连接器,根本目的就是通过插拔连接器实现导通及断路。而插拔这一动作大部分情况下是人为完成的,为了方便操作,就要求连接器的插入力不可以超过一定的数值,例如M12连接器标准IEC 61076-2-101内定义M12系列连接器的插入力范围为10N ~ 30N。而为了保持可靠的电气接触,连接器的拔出力也不应设计得过小,同样以M12连接器为例,其标准要求的拔出力范围在15N ~ 30N之间。
插拔力的测试我们一般会使用插拔力试验机完成。
插拔力测试一般会安排在连接器原始状态,插拔寿命过程中,及插拔寿命测试后执行,以比较连接器在使用后的插拔力变化。
一般参考标准:EIA-364-13或IEC 60512-13b
需要定义如下测试参数:
a) 测试速度:若无特殊定义,连接器/端子插拔力测试会按25.4mm/min (EIA-364-13) 的插拔速度执行
b) 判定限值:参考产品设计标准
连接器插拔力的影响因素很多,如连接器公母端子之间的匹配、连接器主体的匹配、防水密封圈导致的插拔困气等,都会影响插拔力值的大小。在插拔力不满足要求时,也会将连接器拆分成各配合零组件,通过各零件间的插拔力测试来分析不良。
插拔力测试最需要注意的是公母端夹持,插拔力测试机台一般都是垂直运动的,若公母端的夹持存在偏斜,则会导致插拔力过大,甚至破坏待测物及机台传感器。要特别注意,测试标准对插拔力测试的样品是否要求去除连接器或端子表面的润滑剂/润滑脂。
PART/ 02
保持力测试
(Retention Force Test)
连接器通常设计带有锁紧机构 (Locking mechanism),以确保连接器在匹配后保持牢固,防止误拔或在外界振动冲击时意外脱落。
连接器的保持力,通俗讲,是指需要该连接器锁紧机构能保持连接器对插状态需要抵抗的最小外力。通常,连接器的测试会要求该力值施加一定的时间。同样地,我们以M12系列连接器举例,IEC 61076-2-010定义了M12 Push-Pull锁紧机构的连接器性能,其中6.3.2.1章节要求连接器的Retention force≥300N,且力值施加时间为60±5s。
(图示为Push-Pull Lock的锁紧机构示意)
连接器保持力的测试设备与插拔力类似,测试除一般会定义到的最大力值施加时间外,还需要注意部分标准会定义力值施加的方式。如M12 Push-Pull型连接器保持力测试参考标准IEC 60512-16-6,力值需要以25mm/min施加,也就是需要对插状态的连接器以该速度在不解锁状态拔出,直到传感器测得拔出力为测试要求值再保持测试要求的时间,要求待测连接器不脱离。
保持力测试一般也会安排在连接器原始状态,插拔寿命过程中,及插拔寿命测试后执行,以比较连接器在不同使用寿命后对锁紧机构强度的影响。在部分高温、UV或者盐雾腐蚀等对锁紧机构材质会有老化影响的测试后也会安排保持力测试。
保持力测试会定义如下参数:
a) 测试力值
b) 测试力值施加时间
c) 测试力值施加方式
d) 判定要求
连接器的保持力由锁紧机构的结构强度及其材质强度决定。
(下图自左至右,分别是Latch Lock,Screw Lock,Bayonet Lock的锁紧机构示意)
PART/ 03
插拔寿命测试
(Durability Test)
连接器的插拔寿命,一般以产品设计寿命内不影响功能的插拔次数定义。插拔寿命测试的目的是用来评估连接器经连续使用后端子/结构件磨损及电气性能的变化。
如上文提及,大部分连接器设计有锁紧机构,连接器执行插拔寿命测试时,需要考量选择自动插拔设备测试或人工测试。
一般地,以插拔力为主要验证目的,尤其是端子磨损对应插拔力变化的插拔寿命测试,我们会建议使用插拔机台执行测试,这时可以按实际情况去除锁紧机构(如Latch Lock会去除Latch后用机台测试)。
一般而言,在插拔寿命测试的过程中,插拔力监测曲线会出现插拔力先变小后上升,再变小的趋势,主要原因是由于自动插拔机台一般为垂直地面运行,在长期插拔寿命测试过程中,端子或塑胶/金属件磨损产生的碎屑无法排除,堆积在连接器内,从而加大干涉,再继续插拔的过程中,这些碎屑逐渐消除,从而插拔力力值下降。
为了防止塑胶/金属件磨损的碎屑测试结果的影响,让测试过程更贴近实际连接器使用寿命周期内的互配/脱离状况,连接器的寿命测试也常常会用人工插拔的方式进行。该方式更能模拟连接器所有零件在寿命周期内的磨损状况,尤其对一些带有导向结构或者防呆键位的连接器,更能如实评估这些位置的磨损状况。
一般参考标准:EIA-364-09或IEC 60512-9a
需要定义如下测试参数:
a) 测试方法:自动机器插拔或者手动人工插拔
b) 插拔速度:自动设备一般设置最大500±5插拔循环/分钟,其中,对于圆形连接器一般设置250~300插拔循环/分钟。人工一般最大300插拔循环/分钟
c) 插拔次数
d) 判定要求:包含外观、电气、插拔力等
连接器的插拔寿命与连接器结构设计及材料选择有很大关系,尤其是端子的结构设计及镀层状况。以M12 螺纹紧固连接器举例,标准内定义了不同端子镀层的插拔寿命要求如下表,可以看出,没有严格定义镀层厚度,不同镀层材质对应的插拔寿命要求也有很大差异。
在测试方面,最容易被忽视的点是,要确保所有待测连接器测试时的每个插拔循环都是完全插入及完全拔出的。在自动插拔机测试时要为了防止公母端轻微偏移带来的互配干涉,在手工插拔时要注意避免操作人员为了加快测试速度出现未完全拔出就插入的状况。
PART/ 04
振动测试
(Vibration Test)
连接器的振动测试一般是模拟连接器在运输、安装及使用过程中遭遇的各种振动,以评估连接器的抗振能力。常见的振动测试有正弦振动和随机振动两种方式。一般地,通用连接器会根据对应的连接器标准内定义的振动测试执行,定制连接器会跟随连接器匹配的设备等终端对应的标准执行振动测试。
关于正弦振动与随机振动的选择,其实也可以参考IEC 60068-3-8内容评估。如下表可以比较直观地看出两种不同测试方法适用的领域:
通常在一些常用的连接器相关标准内,只会定义正弦振动测试要求,如上文提及的M12连接器。正弦振动通常采用扫频的方式测试,可以在设计/开发阶段分析连接器共振频率,或者执行恒定振幅的疲劳测试。
正弦振动测试一般需要定义的测试参数:
a) 峰值加速度(am)/最大振幅(Xm)
b) 频率范围
c) 扫频时间
d) 振动轴向
e) 振动周期
正弦振动也有着简单、低成本等优势。但也是由于共振问题,会使待测物产生不符合实际的振幅,导致测试失效与实际失效不符,在一些对振动要求较高的应用领域,会需要执行随机振动测试来评估连接器的可靠性。
随机振动的瞬时振幅相对频率范围内的所有频率是随机的,随机振动也是现实生活环境中最常见的激励形式,尤其在大多数运输环境下的振动。随机振动测试过程中,很多共振会激发,但其强度相对正弦振动期间产生的低,不会产生不现实的疲劳损伤。
随机振动测试一般需要定义的测试参数:
a) 频率范围
b) 功率谱密度(PSD)/加速度谱密度(ASD)曲线
c) 振动轴向
d) 振动周期
对于连接器的振动测试,不论采用正弦振动或随机振动,一般都会要求在测试过程中检测瞬断 (Disturbance),即连接器在振动过程中电阻值在一定时间内 (如1μs) 不能超过一定值 (如7Ω)。
振动测试后,一般还会对连接器外观尤其是端子及锁紧机构的磨损,以及电气、气密等性能检查。
PART/ 05
机械冲击测试
(Mechanical Shock Test)
连接器机械冲击测试一般是模拟产品在生命周期内可能经历的运输冲击、碰撞冲击,甚至是爆炸冲击,以保证连接器在冲击后仍能正常工作,是发现连接器结构缺陷重要的手段之一。
机械冲击测试有三种不同的冲击脉冲波形,分别为半正弦脉冲、锯齿脉冲及梯形脉冲。连接器相关测试中最常见的是使用半正弦脉冲波形的机械冲击测试,其脉冲波形如下图所示,即正弦脉冲的半个周期,适用于模拟线性系统的碰撞或减速引起的冲击(如弹性结构的撞击)。
由如上脉冲图形可以看出,机械冲击测试一般需要的参数如下:
a) 冲击脉冲波形
b) 重复速率/脉冲持续时间
c) 峰值加速度
d) 冲击轴向
e) 冲击次数
与振动测试相同,对于连接器的机械冲击测试,一般也会要求在测试过程中检测瞬断(Disturbance),并且,机械冲击测试后,需要对连接器外观以及电气、气密等性能检查。